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電池電壓偵測電路“踩坑”:分壓電阻的精度竟然是5%,不是1%

發(fā)布時間:2021-08-01 來源:LR梁銳 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】做過一個電紙書閱讀器的項目,和Kindle是同類產(chǎn)品。產(chǎn)品中用到一個“電池電壓偵測電路”,當(dāng)時在這個電路上踩坑了,電路本身倒是很簡單。和大家分享這個電路的設(shè)計要點,以及當(dāng)時的設(shè)計失誤,幫助大家積累經(jīng)驗,以后不要踩這種坑。
 
做硬件,堆經(jīng)驗。
 
電池電壓偵測電路“踩坑”:分壓電阻的精度竟然是5%,不是1%
 
做過一個電紙書閱讀器的項目,和Kindle是同類產(chǎn)品。產(chǎn)品中用到一個“電池電壓偵測電路”,當(dāng)時在這個電路上踩坑了,電路本身倒是很簡單。和大家分享這個電路的設(shè)計要點,以及當(dāng)時的設(shè)計失誤,幫助大家積累經(jīng)驗,以后不要踩這種坑。
 
電池電壓偵測電路“踩坑”:分壓電阻的精度竟然是5%,不是1%
 
設(shè)計要點一:設(shè)定分壓電阻的大小
 
這種便攜式掌上閱讀器,當(dāng)然是內(nèi)置鋰電池的:
 
電池電壓偵測電路“踩坑”:分壓電阻的精度竟然是5%,不是1%
 
通過偵測電池電壓來判斷電池電量,是很常用的做法。偵測電池電壓的電路非常簡單:
 
電池電壓偵測電路“踩坑”:分壓電阻的精度竟然是5%,不是1%

電池電壓經(jīng)過電阻R26和R62分壓之后,給到主控芯片MCU的ADC引腳,通過ADC來偵測電池電壓。為什么要分壓?因為ADC引腳可直接偵測的電壓范圍沒有4.2V這么高。在R62遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于MCU的ADC引腳的輸入阻抗的情況下,可以忽略ADC引腳的輸入阻抗,這也是我們需要的。下面忽略ADC引腳的輸入阻抗來計算兩個電阻的分壓,也就是:
 
偵測到的電壓 = 電池電壓  x  R62 / (R26 + R62)
偵測到的電壓 = 電池電壓  x  150 / (300 + 150)
偵測到的電壓 = 電池電壓  x  1 / 3
 
當(dāng)電池電壓為4.2V時,經(jīng)過R26和R62分壓,ADC引腳會偵測到1.4V:
 
電池電壓偵測電路“踩坑”:分壓電阻的精度竟然是5%,不是1%

當(dāng)電池電壓為3.5V時,經(jīng)過R26和R62分壓,ADC引腳會偵測到1.17V:
 
電池電壓偵測電路“踩坑”:分壓電阻的精度竟然是5%,不是1%

所以可以根據(jù)偵測到的電壓來算出電池電壓,也就是:
 
電池電壓 = 偵測到的電壓 x 3
 
查看MCU的數(shù)據(jù)手冊,可以查到ADC引腳的輸入阻抗。
 
為了忽略ADC引腳輸入阻抗的影響,R62要盡可能相對地小。
 
但又不能太小,因為這個電路會一直消耗電池的電量,就算是關(guān)機(jī)狀態(tài)下也一直在耗電。電阻太小會導(dǎo)致關(guān)機(jī)功耗變大,這里消耗9.3uA:
 
電池電壓偵測電路“踩坑”:分壓電阻的精度竟然是5%,不是1%
 
對閱讀器產(chǎn)品來說,可以接受了!
 
設(shè)計要點二:降低紋波電壓
為了精確測量電池電壓,ADC引腳處的紋波電壓要小。這里用了電容C32來濾波:
 
電池電壓偵測電路“踩坑”:分壓電阻的精度竟然是5%,不是1%
 
為了避免受到干擾,ADC引腳的走線要盡量短,遠(yuǎn)離干擾源,走線包地處理。ADC引腳處的走線高亮顯示如下(這個MCU是BGA封裝):
 
電池電壓偵測電路“踩坑”:分壓電阻的精度竟然是5%,不是1%

 
這里的走線不算短,不過經(jīng)測試紋波電壓小于50mV,滿足要求。
 
設(shè)計要點三:設(shè)定關(guān)機(jī)電壓
 
閱讀器配套的鋰電池,充滿電是4.2V。
 
在電壓降到3.5V時,經(jīng)實際測試,閱讀器的系統(tǒng)電壓還能保持穩(wěn)定,但繼續(xù)放電容易導(dǎo)致死機(jī),所以設(shè)定3.5V為關(guān)機(jī)電壓。
 
參考一款鋰電池的放電曲線圖,以1A電流放電時,一開始放電曲線很平緩。放電到3.5V再往后一些,藍(lán)色的放電曲線呈陡涯式下降,這就是為什么電壓變得不穩(wěn)定了。見下圖藍(lán)色曲線的最右側(cè)那一段:
 
電池電壓偵測電路“踩坑”:分壓電阻的精度竟然是5%,不是1%
 
根據(jù)這款產(chǎn)品的實際測試情況,軟件設(shè)定為當(dāng)偵測到電池電壓降到3.5V時,系統(tǒng)執(zhí)行關(guān)機(jī)。也就是:
 
電池電壓為4.2V時,屏幕顯示電量為100%;
 
電池電壓為3.5V時,屏幕顯示電量為0%,并執(zhí)行關(guān)機(jī)動作。
 
有些電子產(chǎn)品本身功耗低,也不會瞬間拉取大電流,就可以在電池電壓更低時才關(guān)機(jī)。
 
設(shè)計要點四:注意分壓電阻的精度
 
這個電路很簡單,電性能測試也沒發(fā)現(xiàn)什么問題。
 
試產(chǎn)了100片電路板,裝了幾十臺整機(jī),各種測試都Pass,一切順利。
于是就批量5千臺,準(zhǔn)備交第一批貨給客戶。
 
這是個定制項目,早就拿到訂單,已經(jīng)臨近約定交貨的日子。第一次正式批量,還是要謹(jǐn)慎。在貼片廠生產(chǎn)時,我全程跟線。
 
 
電池電壓偵測電路“踩坑”:分壓電阻的精度竟然是5%,不是1%
 
生產(chǎn)總體比較順利,我在產(chǎn)線上沒事的時候,無聊地檢查著電路圖,突然心里一咯噔,發(fā)現(xiàn)這個電池電壓偵測電路,分壓電阻的精度竟然是5%,不是1%!
 
電池電壓偵測電路“踩坑”:分壓電阻的精度竟然是5%,不是1%
 
一下子就懵了!
 
電池電壓偵測的精度非常重要,要知道如果MCU把3.7V的電池電壓判斷為3.5V,雖然相差才0.2V,但是電量差得可多了,會導(dǎo)致提前很多就關(guān)機(jī)。
 
更糟糕的是,如果MCU把3.5V的電池電壓判斷為3.7V,那么系統(tǒng)不會在正確的電壓執(zhí)行關(guān)機(jī)。繼續(xù)使用的話,在MCU將電池電壓判斷為3.5V之前,可能已經(jīng)出現(xiàn)死機(jī)的情況。
 
當(dāng)時馬上問產(chǎn)線還能不能改BOM,要更換物料,產(chǎn)線答復(fù)說5千片馬上就要貼完,現(xiàn)在下更改單來不及了。。。
 
悲劇了,只能考慮是否手工改板了。把板上5%精度的換成1%精度的,每塊板要改2顆電阻,一共就是一萬顆電阻。
 
首先問產(chǎn)線拿了一盤精度為5%的電阻過來,測試看偏差具體是多少。結(jié)果發(fā)現(xiàn)雖然標(biāo)稱5%精度,實測精度并沒有超過1%。測了幾十個,基本是這種情況。
 
這就有點意思了,好像還可以??!換還是不換呢,陷入了糾結(jié)。
 
最后的決定是,保守一點,換!
 
于是很苦逼,產(chǎn)線上的熟練焊工并不多,臨時給我找來一個,我倆一起改板5千片。
一邊改板,一邊客戶那里催著交貨,真是慘痛的教訓(xùn)!
 
最后:復(fù)盤經(jīng)驗
 
這個事情,是設(shè)計上還不夠細(xì)心,對這個電池電壓偵測電路的認(rèn)識不夠深刻,竟然沒有重點檢查電阻的精度。
 
5%精度的電阻相對便宜,公司的出貨量非常大,單板的成本降低一點點,多出來的利潤可以很可觀,所以大部分電阻是選用5%精度,個別有需要的地方才會用1%。
所謂成本是設(shè)計出來的。
 
值得一提的是,由于電阻精度對單板的成本影響較小,有些公司的硬件工程師為了方便,統(tǒng)一選用1%精度的,這樣就不會出錯,也減少了BOM中的物料種類。
那么問題來了,你公司的情況是這么一刀切,還是區(qū)分精度使用?
 
最后,有了這次手工改板5千的教訓(xùn),以后每次用電阻,我都會仔細(xì)檢查精度使用是否合理,也算是吃一塹長一智。
 
另外,“電池電壓偵測電路”的兩個分壓電阻,后來改為了使用0.1%精度,會更靠譜。
(來源:公眾號電路啊;作者:LR梁銳)
 
 
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